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来自噪音的秩序-随机和集体动态如何定义干细胞

干细胞是器官发育和更新的中心。在大多数器官中,干细胞位于特定的区域,在某些情况下,可以通过一些内在特性(如分子标记)来识别。它们可以分化成各种类型的细胞,并无限期地分裂以产生更多的干细胞。然而,这是否意味着顶端的干细胞是不朽的呢?或者任何一个细胞都能推翻它吗?科学界正在公开辩论干细胞到底是来自细胞的内在特性还是来自组织本身的集体动力。在第二种情况下,潜在的干细胞处于持续竞争中,以坐在特定的“利基”区域。每个细胞都想通过复制超越它的邻居,因此不断地推动它们。功能性干细胞将是这场竞争的赢家,而失败者将被排挤出利基,分化,并最终死亡。

在这里,奥地利国际科学研究院的Hannezo小组与荷兰国家癌症研究所和剑桥大学的研究人员合作,研究了克服这种从利基方向的推动力量的机制。他们使用活体成像显微镜来记录乳腺、肠道和肾脏组织中的干细胞运动。研究小组发现,除了恒流和推力外,还观察到许多随机运动。这些为什么重要?“房地产行业的一句名言是‘位置、位置、位置’。在干细胞的例子中,这句话转移到决定干细胞是否干的位置(而不是相反)。然后,随机的移动就成了关键,因为它们能让你到达正确的位置,即使你是从错误的位置开始,”爱德华·汉内佐总结道。

在这样的框架下,这些组织看起来就像上下班高峰期的地铁站出口处,有些人能够随机地逆着人群的漂移而返回,试图再次乘坐地铁。在这个比喻下,随机运动是让细胞从干细胞龛最终回到它的关键。这项研究的首席科学家Bernat coromina - murtra说:“我们想知道是什么决定了干细胞的数量和动态,以及在多大程度上这只能通过数学方法来探索细胞的运动和器官的几何形状来解决。”然后,他们用数学方法将这些嘈杂的细胞动力学映射到器官的几何结构中,从而可以预测功能干细胞的数量(考虑到系统中的噪音/移动性,这些干细胞能够及时到达正确的位置)。他们发现,在组织更新或生长过程中,干细胞区域自然发育,不需要对细胞的分子性质进行假设。因此,科学家们证明了动力学和几何学本身起着至关重要的作用。

Bernat coromina - murtra描述了他们的研究结果:“你可能会认为细胞运动的随机性模糊了系统的特性或者使其更加不稳定。相反,它是出现像干细胞区域那样的强健、复杂模式的关键,这与之前使用单个细胞的生物分子标记识别的模式非常吻合。”这些结果有助于组织中干细胞性质的公开辩论,并可能在理解器官更新方面打开一个新的维度。

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